質量超理論上限的它 揭示黑洞另一種存在方式

近日，國際頂尖科學期刊《自然》在線發布了一項重大發現，中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤的研究團隊發現了迄今為止最大質量的恒星級黑洞，并提供了一種利用郭守敬望遠鏡（LAMOST）的巡天優勢尋找黑洞的新方法。

這顆70倍太陽質量的超大恒星級黑洞遠超理論預言上限，顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認知，勢必推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。

過去只能找到“暴力”的黑洞

霍金在其最后的著作《十問》中寫道，“黑洞比科幻作家想象的任何東西都更奇妙”。黑洞本身不發光，密度非常大，相當于把10倍太陽質量的恒星壓縮到北京六環大小的球體中，具有超強的吸引力，任何從其身邊經過的物質、就連光也無法逃離。黑洞是宇宙的“吸光器”。

黑洞大致分為恒星級黑洞（100倍太陽質量以下）、中等質量黑洞（約100到10萬倍太陽質量之間）和超大質量黑洞（10萬倍太陽質量以上）。恒星級黑洞是由大質量恒星死亡形成的。一顆恒星走到生命盡頭，如果剩下的質量大于3倍太陽質量，既不能形成白矮星，也不能成為中子星，就沒有任何力量可以阻止終極引力讓其塌縮成黑洞。

龍潛深淵，隱藏爪牙。黑洞本身不發光，天文學家很難在茫茫宇宙中看到它。

奈何黑洞身邊的小伙伴們實在是太高調，周邊吸積盤或者伴星都表現出異樣的“氣場”。如果黑洞與一顆正常恒星組成一個密近雙星系統，黑洞就會露出猙獰的爪牙，直接把恒星伴星上的氣體物質吸過來，形成吸積盤，發出“明亮”的X射線。這些X射線如同這些物質被黑洞吞噬前的“回光返照”，就是這一“照”成為天文學家過去這些年追尋黑洞蹤跡的線索。

迄今為止，銀河系中幾乎所有已知的恒星級黑洞都是通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識別的。過去的50年里，人們用該種方法發現了約20顆黑洞，質量均在3到20倍太陽質量之間。銀河內有數以千億計的恒星，按照理論預測，銀河系中應該有上億顆恒星級黑洞，而在黑洞雙星系統中，能夠發出X射線輻射的只占一小部分。

兩年監測發現“走路拉風”的天體

劉繼峰和張昊彤的團隊在浩瀚星海中發現了一個表現異常的雙星系統。700多天的追逐之路飽含艱辛和精彩。

2016年初，LAMOST科學巡天部主任張昊彤和中國科學院云南天文臺院士韓占文提出利用LAMOST觀測雙星光譜，并選擇了3000多個天體進行了為期兩年的光譜監測。在這其中有一顆“走路拉風”的B型星引起了研究人員的關注。

除了獲取它的有效溫度、表面重力、金屬豐度等重要信息外，其光譜中一條近乎靜止且運行方向和B型星反相位的明線（Hα發射線）給這個天體增添了十足的神秘感。研究人員懷疑這顆B型星“背后有人”。

西班牙10.4米加納利大望遠鏡(GTC)的21次觀測和美國10米凱克望遠鏡（Keck）的7次高分辨率觀測，進一步確認了B型星的性質。

B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽豐度，質量約為8倍太陽質量，年齡約為35百萬年，距離我們1.4萬光年。根據B型星和Hα發射線的速度振幅之比，其伴星應該一個質量約為70倍太陽質量的不可見天體，它只能是黑洞。

LB-1黑洞從未在任何X射線觀測中被探測到。研究人員用美國錢德拉X射線天文臺對該源進行觀測，發現這顆新發現的黑洞對其伴星吸積非常微弱，是一個“平靜溫和”的恒星級黑洞“冠軍”。

特殊金屬豐度指向理論“禁區”

從2015年起，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）及歐洲室女座引力波天文臺（Virgo）的引力波觀測實驗已經發現了幾十倍太陽質量的黑洞，質量遠高于先前已知的銀河系里的恒星級黑洞。

但是，新發現的這顆70倍太陽質量的超級黑洞，確認了銀河系存在著更大質量的恒星級黑洞，刷新了人類對于恒星級黑洞質量上限的認知。

恒星有個屬性叫金屬豐度，指的是非氫氦元素在恒星中的比值。論文第一作者劉繼峰介紹說，一般模型認為大質量恒星級黑洞主要形成于低金屬豐度（低于1/5太陽金屬豐度）環境中，LB-1卻有一個與太陽金屬豐度相近的B型星。目前恒星演化模型只允許在太陽金屬豐度下形成最大為25倍太陽質量的黑洞，因此，LB-1中黑洞的質量已經進入了現有恒星演化理論的“禁區”。

現有理論認為，恒星在形成黑洞前，會吹出星風喪失物質，因此恒星級黑洞不會特別重。宇宙中最重的恒星大概只有幾百個太陽質量，理論預言其演化晚期形成的黑洞最大也就20多個太陽質量。之前發現的黑洞都沒超過這個量級。

LB-1的發現可能意味著有關恒星演化形成黑洞的理論將被改寫，或者以前某種黑洞形成機制被忽視。

另一種可能性是，LB-1中的黑洞或許不是由一顆恒星坍縮形成的。研究人員猜想，LB-1最初是一個三體系統，觀測到的B型星位于最外軌道，是質量最小的組成部分，而現在的黑洞是由最初內部的雙星形成的雙黑洞并合而成。在這種情形下，該系統將是黑洞并合事件的絕佳候選體，并為研究三體系統中雙黑洞形成提供了獨一無二的實驗室。

“光譜之王”和“黑洞之王”彼此成就

天文學家給這個包含黑洞的雙星系統命名為LB-1，是為了紀念LAMOST在發現這顆巨大恒星級黑洞上作出的貢獻。

這顆“黑洞之王”的發現充分證實了LAMOST望遠鏡強大的光譜獲取能力。LAMOST擁有4000顆“眼睛”（4000根光纖），一次能觀測近4000個天體。

2019年3月，LAMOST公開發布了1125萬條光譜，成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目，被天文學家譽為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。

從2016年11月開始，為了發現和研究光譜雙星，研究人員利用LAMOST對3000多顆恒星歷時兩年進行了26次觀測，累計曝光時間約40小時。如果利用一架普通4米望遠鏡專門來尋找這樣一顆黑洞（一年觀測365天，每天觀測8小時），同樣的幾率下，則需要40年的時間！這充分體現出LAMOST超高的觀測效率！

“工欲善其事必先利其器”，這顆迄今為止最大質量的恒星級黑洞，標志著利用LAMOST巡天優勢搜尋黑洞新時代的到來。

相信“光譜之王”和“黑洞之王”的彼此成就將成為天文界的一段佳話。

LB-1是一個X射線輻射寧靜的雙星系統，利用常規X射線方法搜尋這類黑洞是行不通的。長期以來，人們認為徑向速度監測可以發現平靜態的黑洞雙星，這顆迄今最大質量黑洞的發現證實了這一點。利用LAMOST大規模巡天優勢和速度監測方法，相信天文學家將會發現一批深藏不露的平靜態黑洞, 從而逐步揭開這個“黑暗家族”的內幕，為研究黑洞成員的形成演化以及質量分布邁出標志性的一步。就像LIGO臺長大衛·雷茨評論的，LB-1的發現將推動黑洞天體物理研究的復興。